W jaki sposób promieniowanie wpływa w perspektywie długoterminowej na materiały konstrukcyjne wykorzystywane w reaktorach?
Przyszłość energii jądrowej w Europie jest niepewna, trudno jednak zaprzeczyć potrzebie jej wykorzystania w obecnej rzeczywistości. Elektrownie jądrowe wytwarzają obecnie około jednej czwartej energii elektrycznej w Unii Europejskiej. Dopóki unijny przemysł nie będzie w stanie zastąpić energii pochodzącej z tego źródła energią wytwarzaną ze źródeł odnawialnych, priorytetem staje się przedłużanie już wydłużonego okresu eksploatacji istniejących elektrowni jądrowych. Zapewnienie bezpieczeństwa długoterminowej eksploatacji istniejących elektrowni jest jednak zupełnie inną kwestią, wymagającą doskonałej wiedzy na temat wpływu starzenia się materiałów konstrukcyjnych w elektrowniach jądrowych, a także przełożenia tej wiedzy zarówno na sprawdzone narzędzia i metody dla użytkowników przemysłowych, a także na wytyczne dla decydentów. Celem projektu SOTERIA (Safe long term operation of light water reactors based on improved understanding of radiation effects in nuclear structural materials) było zbudowanie bazy wiedzy dotyczącej tej kwestii, ze szczególnym uwzględnieniem zjawisk starzenia się materiałów zachodzących w zbiornikach ciśnieniowych reaktorów jądrowych oraz stali wykorzystywanej w konstrukcji reaktorów, powodowanych przez napromieniowanie neutronowe. Opierając się na wynikach badań przeprowadzonych w ramach wcześniejszych projektów – PERFECT oraz PERFORM60, zespół projektowy połączył zaawansowane narzędzia służące do modelowania z danymi zgromadzonymi w wyniku przeprowadzonych doświadczeń w celu zbadania wpływu długoterminowego napromieniowania przy różnych dawkach na podzespoły reaktorów jądrowych wykonanych ze złożonych materiałów przemysłowych. Inteligentne eksperymenty zapewnią bezpieczną eksploatację elektrowni jądrowych Jak wyjaśnia dr Christian Robertson, koordynator projektu z ramienia francuskiej komisji ds. alternatywnych źródeł energii oraz energii jądrowej (CEA): „Bezpieczna eksploatacja elektrowni jądrowych zależy od wielu czynników, w tym między innymi od kwestii związanych z materiałami konstrukcyjnymi. Najważniejsze podzespoły i elementy składowe elektrowni jądrowych ulegają w czasie użytkowania przemianom, które są związane z mechanizmami starzenia się materiałów. Bezpieczne przedłużanie użytkowania takich elementów będzie bezpieczne tylko i wyłącznie wtedy, jeśli uda nam się zgromadzić dostateczną wiedzę na temat przyczyn oraz zakresu działania tych mechanizmów”. Projekt SOTERIA obejmował swoim zakresem szereg inteligentnych eksperymentów oraz modelowanie fizyczne oparte na dobrze scharakteryzowanych materiałach wykorzystywanych w konstrukcji wewnętrznej reaktorów oraz ich zbiorników ciśnieniowych. W ramach prowadzonych prac konsorcjum projektu przeprowadziło dogłębną analizę mikrostrukturalną napromieniowanych stali wykorzystywanych do wytwarzania zbiorników ciśnieniowych reaktorów jądrowych, austenitycznych stali nierdzewnych oraz stopów modelowych, zbadało wpływ niejednorodności materiału na właściwości mechaniczne stali wykorzystywanej do produkcji zbiorników ciśnieniowych, badało związek naładowanych cząsteczek wodoru i helu z podatnością na uszkodzenia i utlenianie, a także opracowało modele służące do badania zbiorników ciśnieniowych oraz podzespołów reaktora pod wpływem napromieniowania. „Projekt przyniósł kilka ważnych rezultatów. Jednym z nich są nowe dane dotyczące zmienności reakcji materiałów oraz jej związku z dobrze kontrolowanymi warunkami ich starzenia się, co oznacza, że udało nam się zgromadzić zasoby wiedzy dotyczące przyczyn starzenia się materiałów dla reprezentatywnej grupy materiałów wykorzystywanych w reaktorach jądrowych. Co więcej, nasze narzędzia do modelowania pozwalają na uwzględnienie złożoności materiałów wykorzystywanych w najważniejszych podzespołach i elementach istniejących elektrowni jądrowych. Zamierzamy udostępnić nasze narzędzie na przyjaznej dla użytkowników platformie obliczeniowej”, mówi dr Robertson. Szkolenie nowego pokolenia specjalistów Projekt SOTERIA miał również znaczenie edukacyjne – przekazanie wyników projektu społeczności inżynierów oraz badaczy zajmujących się energetyką jądrową w celu poprawy i ujednolicenia stanu wiedzy na temat zjawiskach starzenia się elektrowni jądrowych w całej Europie. We wrześniu 2018 roku odbyło się wydarzenie SOTERIA Training School, w ramach którego uczestnicy projektu przekazywali i rozpowszechniali wiedzę na temat mechanizmów degradacji zbiorników ciśnieniowych reaktorów jądrowych oraz materiałów konstrukcyjnych uzyskaną w ramach projektu. Łącznie w wydarzeniu wzięło udział 60 uczestników reprezentujących 29 organizacji z 13 krajów, w tym studenci, doktoranci, profesjonaliści zaczynający karierę zawodową, naukowcy oraz inżynierowie. Działalność edukacyjna jest prawdopodobnie najważniejszą misją projektu SOTERIA. Pomimo tego, że działania w ramach projektu dobiegną końca w sierpniu 2019 roku, dr Robertson jest przekonany, że jego rezultaty będą miały ważne znaczenie jeszcze przez długi czas po upływie tej daty. „Opracowane w ramach projektu innowacyjne, tanie metody badania dostarczające ważnych danych, dostosowane do najważniejszych elementów reaktorów jądrowych będą z pewnością szeroko wykorzystywane przez społeczność międzynarodową w nadchodzących latach”, twierdzi. Członkowie konsorcjum realizującego projekt SOTERIA rozważają obecnie możliwość utworzenia nowego konsorcjum w ramach kolejnego naboru organizowanego przez Euratom, aby w dalszym ciągu zajmować się badaniami nad starzeniem się materiałów.
Słowa kluczowe
SOTERIA, eksploatacja długoterminowa, energia jądrowa, bezpieczeństwo, reaktor lekkowodny, materiały konstrukcyjne, elektrownia jądrowa, reakcja materiału, promieniowania